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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 研究现状传统的黑板大多数属于人工作业，产生的粉尘极多，不但污染环境而且影响师生身体健康。目前国内已有不少企业正在从事绿色环保黑板的研制和开发，并有一些初步的产品出现。这些产品在自动清洗方面有许多的创新，基本的实现了自动化。但是这些产品还是存在许多不足之处需要改进，譬如，这些产品在清洗黑板的时候大多都是一次性清洗干净，不能进行局部的清洗；操作系统过于简单，不能充分发挥出理想的效果；其次，对于粉尘的处理方面也不尽如人意，一直影响着师生的身体健康。基于单片机的环保黑板设计的课题是一个较为崭新的课题，相关的研究不是很多。因此设计一种能够实现自动擦除以及回收粉尘，成本也不
2、是很高的环保黑板刻不容缓。1.2 预期效果基本实现自动吸尘擦字，擦字的效果显著，吸尘的功能强大。机械部分中：传动系统结构简单，使用齿轮齿条传动，轨道部分通过硬塑料的滚轮滚动实现，运动平稳，定位准确；控制系统：控制电路简单，操作容易，易于实现。原材料容易得到，制作工艺简单，性价比高，安装方便2。通过对原有黑板进行简易改造，即可安装本设计的绿色环保黑板，普及率较高，可以在各学校中使用。而且，价格低廉，便于接受。1.3 创新之处自动吸尘擦字，擦字效果显著；擦字环境是封闭的，吸尘功能强大，粉尘很难进入大气污染环境，影响师生健康；传动系统结构简单，运动平稳；控制电路简单易懂，便于实现。1.4 推广应用价
3、值制造成本较低。材料极易得到，可以直接由市场购买，降低了生产成本；制作工艺简单，性价比较高，容易在中小学校和会议室等场合普及使用；不但安装方便，而且操作简单，师生可以很容易的实现操作；装置的维护和保养易实现。配件容易得到，更换较简单方便。2 总体方案设计2.1机械结构设计2.1.1 支架设计由基本的金属材料焊接得到，材料可以在市场上直接购买，降低了生产成本。金属支架主要起到一个支撑的作用。2.1.2擦字系统设计 使用类似凸轮的机构，实现擦字系统与黑板板面的贴合和分离：当需要擦字时,擦字系统与板壁贴合，实现擦字操作;当不需要擦字时，擦字系统将与板壁分离。因此保证了基于单片机的环保黑板能够实现有针
4、对性的工作，保证了擦字系统对局部的清理。2.1.3粉尘吸收系统设计 粉尘吸收系统与擦字系统是协调进行工作的，在擦字的过程中实现了粉尘的吸收。初步设想的粉尘吸收系统采用吸尘器的基本原理实现粉尘回收。可以使用的方式有机械清洗和清洁液清洗方式。机械力清洗原理，包括三个阶段：1介质施布，2污物解离和分散，3（包含污物的）介质分离回收。清洗液循环系统可以由净水箱、污水箱、负压发生器、过滤器和循环水泵等组成采用清洗液循环装置，克服了传统的无回收式清洗方式水资源浪费，存在环境污染的缺陷。因此，节水环保是基于单片机的环保黑板的特点之一。2.1.4 传动系统设计初步设想传动系统使用涡轮蜗杆或类似与工作台传动的丝
5、杠传动，导轨固定。设计的基本要求为运动平稳，定位准确，能够实现基本的操作要求。 2.2 电器控制设计 整个电器控制的设计应该力求能够实现基于单片机的环保黑板的自动化操作，而且考虑到漏电等安全问题，选择低压工作环境较好，其次，所选电机的噪音不宜过大，以免影响师生的身体健康，最后电机的体积亦不能过大。基于以上因素的考虑，此设计选择低压直流电机并且采用8051单片机控制永磁式换向器电机的正反转控制以及各个电机的启停控制。3 机械结构的设计3.1 固定连接部分的设计3.1.1 支架部分的设计支架不仅要承受起整个黑板的重量，而且起到了固定导轨的作用，因此必须要有足够的强度。设计过程中，考虑到上下两组支架
6、受力方式不同，即上支架主要是用来固定导轨，承受Z方向上的力，而下支架主要是承受大部分的重量，受Y方向上的力，决定对上下支架采用不同的设计方法。上下两组支架都是通过埋在墙体内的螺栓使用螺母固定的。上支架使用的是如图3.1所示的结构：支架的上下分别开有直径为16mm的光孔，使螺栓可以穿过。支架的中心开有四个对称的盲孔，这四个盲孔的直径为8mm。四个盲孔的用处是利用螺钉将上导轨固定到支架上。下支架的机构如图3.2所示。为了保证下支架有足够强度承受黑板的绝大多数重量，把下支架设计为三角形的结构，并用肋板保证强度。在肋板的左右两侧分别开有四个光孔，下支架同样使用通过埋在墙体内的螺栓固定。在下支架的上水平
7、面上开有四个直径为10mm的光孔，用来固定下轨道。轨道和支架的连接使用螺栓连接在一起。图3.1 上支架图3.2 下支架3.1.2 轨道部分的设计基于单片机的环保黑板的轨道部分使用的是铝合金材料。如图3.3。这种材料比较容易得到，而且价格便宜，有效的降低了环保黑板的成本。在轨道的左右两端分别开有四个直径为8mm的光孔，提供螺栓穿过光孔分别固定到上下两组支架上,而轨道右侧的开口部分可以穿过滚轮的轴。图3.3 轨道3.1.3 滚动件及其固定装置在完成了轨道设计的基础上，进行滚动组件的设计。对于滚动组件的设计要求是设计的机构力求能够保证运动的平稳性，尽量减小摩擦，避免X和Y方向的窜动，在擦黑板的运动中
8、保证Z方向上不会因为受力而产生较大的位移。图3.4 滚动轮组件如图3.4是设计的滚动轮组件，其中滚动轮采用的是硬塑料的轮子，大轮一个，小轮两组，其中大轮的直径为60mm，小轮的直径为22mm。大轮通过螺母固定到轴的一端，小轮通过开口销安装到与轴连接的两个小滚轮轴上。滚动轮组件与轨道的配合是根据滚动轮组件与轨道的不同的受力方式决定的。其中上滚动轮组件与上轨道的配合方式如图3.5。左侧的小轮承受的是在擦黑板的过程中受到的沿黑板面指向外的Z向的力，因此它们为承重轮，大轮的作用是保障滚动轮组件沿Y方向的运动较平稳，显然它为导向轮，右侧的两个小轮的作用是防止滚动轮组件在Z方向的窜动。同理下滚动轮组件与下
9、轨道的配合方式与上滚动轮组件与上轨道的配合方式相似，只是方向变为竖直的方向，其中大轮为导向轮，上边的两个小轮为承重轮，下面的两个小轮是为了防止Y方向的窜动而设置的。图3.5 滚动轮组件与轨道的配合上下两组滚动轮的组件中，每一组都有两个滚动轮的组件通过固定板连接在一起，滚动轮组件的轴穿过固定版的孔，用螺母固定。其中上方的固定板竖直放置，下方的固定板水平放置。图3.6 固定板3.1.4 Y方向支架设计Y方向上的支架是用来连接上下两个滑轮组件，并且安装擦字机构用的，在擦字的过程中，擦字机构所受到的力通过支架最终会传到上下支架上。在支架的下方和上方各开有直径为18mm的孔1和孔6，通过滚动轮组件的轴的
10、螺纹连接到上下两个固定板上。支架的中央部分开有直径12mm的孔3和孔5，用来连接擦字机构与Y方向支架贴合分离机构中的弹簧挡杆。在以3和4为中心的圆上另开有8个直径为8mm的圆，是用来连接贴合分离机构的外套筒。图3.7 Y方向的支架3.2 擦子系统的设计擦字系统是基于单片机的环保黑板设计中最为重要的一部分，它是集擦字和粉尘吸收为一体的综合性装置，它的存在最终体现了基于单片机的环保黑板的应用价值。因此在擦字机构的设计过程中首先要考虑的就是改善擦字机构，提高其擦字的效率，力争达到最佳的设计目的。3.2.1 擦字盒结构的设计擦字盒是用来与黑板面接触，参与清理黑板工作的部分。因此在设计的过程中要实现以下
11、几点的要求：1.保证结构合理，在擦字过程中必须有足够的力将粉笔字残留物擦除干净；2.设计的机构必须避免粉尘飞出进入空气中，因此最好能够设计为一个封闭的环境。3力求将整个板面都能清理干净，不留下死角；鉴于以上的几点要求，在设计过程中，为了能够提供一个良好的密封工作环境，在擦字盒的四个边上固定安装橡胶密封条。当擦字盒与黑版面接触的时候，橡胶密封条处于压紧的状态，实现密封的目的，从而能够防止粉笔屑泄露出来。设计黑板刷的构造时，要考虑的因素比较多，既能把黑板擦的干净，又能保证其行程能够达到黑板的上下两端。设计中，对黑板刷的选择有两种，一种是条形的，令一种是圆形的，其中圆形的设计，不能对黑板的边缘死角进
12、行清除，而且在工作行程完成后会留下一系列的不规则的残留痕迹，效果不是相当理想，所以最终放弃了这个思路，选择了如图3-8所示的条形刷，此种结构的黑板刷的主运动方式为如图3.8所示的往复运动，并伴随Y方向支架沿着轨道在X方向上移动。在条形刷的上方有四个连接柱，其上有V型孔，这四个连接柱能够插入与连杆连接的连接块内，并使用紧固螺钉固定到连接块上，四个紧固螺钉可以手工操作拧紧、卸下，使得条形刷的更换和清洗来得非常方便。图3.8 条形刷条形刷固定与图3.9所示的连接块后，将连接块固定到滑动杆上：将滑动杆穿过连接块的右侧的光孔内，再使用开槽锥端紧定螺钉紧定。为了保证其稳定性，连接块在每一根滑动杆上都设有四
13、个。图3.9连接块将带有条形刷的连接块固定到滑动杆上后，需要设计一种支撑结构来安置这一套装置，这种支撑必须能够保证滑动杆在其内自由的滑动。其结构如图3.10 固定滑动单元所示。图中3所示的2为聚四氟乙烯材料的中空的圆柱形滑块。滑动杆穿过2上的孔1，在孔内实现往复运动，3为光孔，利用螺栓将固定滑动单元连接到擦字盒的箱体上。图3.10 固定滑动单元滑动杆固定以后，要完成将电机的旋转运动转换为滑动杆带动条形刷作往复运动，这就需要一种特殊的传动件。结合缝纫机的设计，将圆周运动转变为直线往复运动的机构，设计如图3.11所示的装置，这种结构的下方使用螺栓将滑动杆固定住，上方为T型槽，与电机相连的轴上有磙子
14、在T型槽内滚动，以便完成往复运动。图3.11 滑动杆传动件3.2.2 吸尘设备的设计擦字机构设计完成后，以上的设计过程已经基本能够实现粉笔痕迹擦干净的目的，但是，对于擦字过程中产生的粉笔屑的处理将会是一个新的问题，在擦字机构内的粉笔屑是处于一种无规律的运动当中，需要依靠重力和风扇运转产生的吸力将其回收，而完成这个工作的就是吸尘盒。图3.12 吸尘装置如图3.12所示为吸尘盒装置，其中的1为塑料支座，从擦字机构的侧面插入固定住。其上端面做成斜坡状，有利于粉尘进入。2和8为吸尘风扇。3为擦字机构的外壁。4为集尘盒。5和6为密度不同的过滤网，其中6的密度较5的要大，它们都是可以更换的，7为通气孔。另
15、外在集尘盒的内壁上还有交叉的两个塑料片，呈倒立的喇叭状，上大下小，这样的结构能够保证粉尘易进难出，防止因为风扇产生的风力产生环形气流将进入集尘盒的粉笔屑重新吹回擦字机构内，难以完全回收。其中使用的风扇为24V的直流风扇。3.3擦字机构与Y方向支架连接及分离贴合机构的设计由擦字盒和吸尘装置组成的擦字机构是作为一个单独的单元来工作的，即在不进行擦字的常态下，擦字机构是与黑板面分开的，当进行擦字的时候，才会利用控制系统，通过电机带动凸轮将擦字机构压向板面，如此设计，可以避免电机在启动的一瞬间由于阻力作用而无法启动。所以必须还要设计一个结构，使擦字结构在常态下是处于远离黑板面的状态。3.3.1擦字机构
16、与Y方向支架的连接部分的设计擦字机构与Y方向支架的连接部分如图3.13。图中结构中，其中1为擦字盒的外壁，5是与1相连接的内套筒，1和5之间是通过螺栓连接在一起的。4为Y方向支架。3是与4之间使用螺母紧固的弹簧挡杆。图3.13 擦字机构与Y方向支架的连接部分3与5之间的弹簧处在压紧的状态，它的力，只能够保证将1压向4。所以在常态时，由于弹簧的作用，擦字机构是远离黑板面的。3.3.2令擦字机构与Y方向支架贴合和分离的机构如图3-13中所示，在正常状态下，擦字机构是远离黑板面的。所以需要一种机构能给擦字机构一个力使它能够贴近黑板面，进而能够顺利的完成擦字的动作。综合考虑各种基本机构的特点，凸轮机构是比较适合这种要求的机构之一
